Jednak nie na wszystkie pytania dotyczące systemów kwantowych łatwiej jest odpowiedzieć za pomocą algorytmów kwantowych. Niektóre są równie łatwe dla algorytmów klasycznych, które działają na zwykłych komputerach, inne natomiast są trudne zarówno dla algorytmów klasycznych, jak i kwantowych.
Aby zrozumieć, gdzie algorytmy kwantowe i komputery, które mogą je uruchomić, mogą zaoferować przewagę, badacze często analizują modele matematyczne zwane układami spinowymi, które rejestrują podstawowe zachowanie układów oddziałujących ze sobą atomów. Następnie mogą zapytać: co zrobi system wirowania, jeśli pozostawimy go w spokoju w danej temperaturze? Stan, w jakim się znajduje, zwany stanem równowagi termicznej, determinuje wiele innych jego właściwości, dlatego badacze od dawna poszukiwali algorytmów znajdowania stanów równowagi.
To, czy algorytmy te rzeczywiście skorzystają na tym, że mają charakter kwantowy, zależy od temperatury danego układu spinowego. W bardzo wysokich temperaturach znane klasyczne algorytmy mogą z łatwością wykonać to zadanie. Problem staje się trudniejszy w miarę spadku temperatury i nasilenia zjawisk kwantowych; w niektórych systemach rozwiązanie tego problemu w rozsądnym czasie staje się zbyt trudne nawet dla komputerów kwantowych. Ale szczegóły tego wszystkiego pozostają niejasne.
„Kiedy udajesz się w przestrzeń, w której potrzebujesz kwantu, a kiedy udajesz się w przestrzeń, w której kwant nawet ci nie pomaga?” powiedział Ewina Tangabadacz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i jeden z autorów nowego wyniku. „Niewiele nie wiadomo.”
W lutym Tang i Moitra zaczęli zastanawiać się nad problemem równowagi termicznej wraz z dwoma innymi informatykami z MIT: badaczem ze stopniem doktora o nazwisku Ainesh Bakshi i absolwent Moitry Allena Liu. W 2023 roku wszyscy współpracowali przełomowy algorytm kwantowy do innego zadania związanego z układami spinowymi i szukali nowego wyzwania.
„Kiedy współpracujemy, wszystko po prostu płynie” – powiedział Bakshi. „Było wspaniale.”
Przed przełomem w 2023 r. trzej badacze z MIT nigdy nie pracowali nad algorytmami kwantowymi. Zajmowali się teorią uczenia się, dziedziną informatyki skupiającą się na algorytmach analizy statystycznej. Ale jak wszędzie ambitni nowicjusze, postrzegali swoją względną naiwność jako zaletę i sposób na spojrzenie na problem świeżym okiem. „Jedną z naszych mocnych stron jest to, że nie wiemy zbyt wiele o kwantach” – powiedział Moitra. „Jedyny kwant, jaki znamy, to ten, którego nauczył nas Ewin”.
Zespół postanowił skupić się na stosunkowo wysokich temperaturach, w przypadku których badacze podejrzewali istnienie szybkich algorytmów kwantowych, mimo że nikt nie był w stanie tego udowodnić. Wkrótce znaleźli sposób na zaadaptowanie starej techniki z teorii uczenia się do nowego, szybkiego algorytmu. Ale kiedy pisali swoją pracę, inny zespół wyszedł z podobny wynik: dowód, że a obiecujący algorytm opracowany w poprzednim roku, będzie dobrze działać w wysokich temperaturach. Zostały zgarnięte.
Nagła śmierć odrodzona
Tang i jej współpracownicy zaczęli korespondować, nieco zaskoczeni, że zajęli drugie miejsce Álvaro Alhambrafizyk w Instytucie Fizyki Teoretycznej w Madrycie i jeden z autorów konkurencyjnej pracy. Chcieli sprawdzić różnice między wynikami, które osiągnęli niezależnie. Kiedy jednak Alhambra przeczytał wstępny szkic dowodu czterech badaczy, ze zdziwieniem odkrył, że na etapie pośrednim udowodnili oni coś innego: w każdym układzie spinowym znajdującym się w równowadze termicznej splątanie zanika całkowicie powyżej pewnej temperatury. „Powiedziałem im: «Och, to bardzo, bardzo ważne»” – powiedziała Alhambra.
